本发明属于高分子材料领域，具体来说，涉及一种壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶及其制备和应用方法。
背景技术：
水凝胶作为胶体是以水为分散介质的凝胶。亲水性聚合物链通过交联连接在一起，形成三维立体结构。由于水凝胶网络固有的交联，其结构完整性不会从高浓度的水中溶解。水凝胶是高吸水性(它们可以包含超过90％的水)的天然或合成聚合物网络。亲水性残基与水分子结合，水分子与网络相连，疏水残基与水一起膨胀。正是因为这些性质，水凝胶在生物医学材料中有着非常好的发展前景。大部分时间以来，市场上已经有了数十种水凝胶产品，其中有的用作与隐形眼镜的材料，有的用作与伤口敷料及药物载体和生物粘合剂还有的用作于填充和修复的水凝胶材料。但由于天然高分子的水凝胶常面临强度差等问题，从而制约其在实际临床中的应用，因此目前有大量的研究致力于提高水凝胶的机械性能，其中常用的方法由构建多重网络、加入纳米颗粒以及冷冻爆破法等。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶及其制备和应用方法，该凝胶具有多重网络的结构，具有良好的机械强度，使得其在医药伤口敷料领域中具有很好的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供一种壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶，按照质量百分数，包括以下组分：
壳聚糖：1％～5％，
海藻酸盐：1％～5％，
一价金属盐溶液：88％～97％，
壳聚糖的天然交联剂、海藻酸盐的离子交联剂和增强剂；
所述增强剂为二氧化钛纳米粒子和卡拉胶；
所述一价金属盐溶液的质量浓度为0.06％～0.5％；
所述壳聚糖的天然交联剂的质量是所述壳聚糖质量的0.18％～4.5％；
所述海藻酸盐的离子交联剂为二价金属盐，所述二价金属盐的质量是所述海藻酸盐质量的2～30％；
所述增强剂的质量是所述凝胶总质量的0.8％～4％。
作为本发明实施例的进一步改进，所述一价金属盐溶液为氯化钠溶液或者氯化钾溶液。
作为本发明实施例的进一步改进，所述壳聚糖的天然交联剂为京尼平。
作为本发明实施例的进一步改进，所述二价金属盐为钙盐、锶盐或者钡盐，且金属盐具有可溶性或者微溶性。
作为本发明实施例的进一步改进，所述二氧化钛纳米粒子为表面修饰过的二氧化钛纳米粒子。
作为本发明实施例的进一步改进，所述壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶中形成四重网络，分别为壳聚糖和壳聚糖的天然交联剂形成的共价交联网络，海藻酸盐和海藻酸盐的离子交联剂之间形成的离子交联网络，壳聚糖上的-nh2和海藻酸钠上的-cooh之间的相互作用形成的第三重网络，以及纳米二氧化钛粒子与卡拉胶形成的第四重网络，第四重网络穿插在共价交联网络、离子交联网络和第三重网络中。
第二方面，本发明实施例还提供一种上述壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤1)将壳聚糖加入一价金属盐的乙酸溶液中，搅拌均匀，使壳聚糖完全溶解，形成壳聚糖溶液；
将海藻酸盐加入一价金属盐溶液中，搅拌均匀，使海藻酸盐完全溶解，形成海藻酸盐溶液；
步骤2)向增强剂溶液中分别加入步骤1)得到的海藻酸盐溶液、步骤1)得到的壳聚糖溶液、壳聚糖的天然交联剂和海藻酸盐的离子交联剂，形成四重网络体系；
步骤3)将步骤2)形成的四重网络体系于15～60℃水浴培养24h，得到壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶。
作为本发明实施例的进一步改进，所述增强剂溶液采用以下方法得到，具体包括：
将二氧化钛纳米粒子溶于无水乙醇中形成悬浮液，加入甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷，经分离、洗涤、烘干、过滤后得到的干燥二氧化钛纳米粒子用丙酮溶液洗涤最后干燥，制成表面修饰过的二氧化钛纳米粒子；
将表面修饰过的二氧化钛纳米粒子加入卡拉胶溶液中，形成增强剂溶液。
作为本发明实施例的进一步改进，所述一价金属盐溶液的质量浓度为0.06％～0.5％；
所述壳聚糖的天然交联剂的质量是所述壳聚糖质量的0.18％～4.5％；
所述海藻酸盐的离子交联剂为二价金属盐，所述二价金属盐的质量是所述海藻酸盐质量的2～30％；
所述增强剂的质量是所述凝胶总质量的0.8％～4％。
第三方面，本发明实施例还提供一种上述壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶作为生物医用材料的应用。
与现有技术相比，本发明所制备出的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶，具有良好的机械性能。本发明制备的高强度凝胶具有四重网络结构，分别为壳聚糖和壳聚糖的天然交联剂形成的共价交联网络，海藻酸盐和海藻酸盐的离子交联剂之间形成的离子交联网络，壳聚糖上的-nh2和海藻酸钠上的-cooh之间的相互作用形成的第三重网络，以及纳米二氧化钛粒子与卡拉胶形成的第四重网络，第四重网络穿插在共价交联网络、离子交联网络和第三重网络中，相比于壳聚糖-海藻酸盐多孔水凝胶，在机械性能上有一定的提高。因此，本发明的高强度凝胶可以在医药伤口敷料领域中具有很好的应用。
附图说明
图1是本发明实施例1-8所制备的凝胶与对照例制备的壳聚糖-海藻酸盐水凝胶的机械性能测试的对比图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的描述，以便本领域的技术人员进一步理解本发明，但以下实施例并不以任何形式限制本发明。
本发明实施例提供一种壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶，按照质量百分数，包括以下组分：
壳聚糖：1％～5％，
海藻酸盐1％～5％，
一价金属盐溶液：88％～97％，
壳聚糖的天然交联剂、海藻酸盐的离子交联剂和增强剂；
所述增强剂为二氧化钛纳米粒子和卡拉胶；
所述一价金属盐溶液的质量浓度为0.06％～0.5％；
所述壳聚糖的天然交联剂的质量是所述壳聚糖质量的0.18％～4.5％；
所述海藻酸盐的离子交联剂为二价金属盐，所述二价金属盐的质量是所述海藻酸盐质量的2～30％；
所述增强剂的质量是所述凝胶总质量的0.8％～4％。
上述实施例中，作为优选，所述一价金属盐溶液为氯化钠溶液或者氯化钾溶液，适当削弱海藻酸盐与壳聚糖之间强烈的离子相互作用，增强凝胶体系的均匀性。所述壳聚糖的天然交联剂为京尼平。所述二价金属盐为钙盐、锶盐或者钡盐，且金属盐具有可溶性或者微溶性。可溶性的钙盐、锶盐、钡盐，通过离子交联海藻酸盐结构中的g段或mg段形成离子交联网络；微溶性的钙盐、锶盐、钡盐，由于已溶解出的部分离子与海藻盐发生交联，从而促进微溶性盐在水中的溶解和电离，最终使微溶性盐中的二价离子全部释放出来，参与海藻酸盐的交联过程。
上述壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶中形成四重网络，分别为壳聚糖和壳聚糖的天然交联剂形成的共价交联网络，海藻酸盐和海藻酸盐的离子交联剂之间形成的离子交联网络，壳聚糖上的-nh2和海藻酸钠上的-cooh之间的相互作用形成的第三重网络，纳米二氧化钛粒子与卡拉胶形成的第四重网络，且第四重网络穿插在共价交联网络、离子交联网络和第三重网络中，形成高机械性能体系。
作为优选，二氧化钛纳米粒子为表面修饰过的二氧化钛纳米粒子。表面修饰过的二氧化钛纳米粒子带有含双键的长链，双键之间可通过自由基聚合形成一重高分子网络，结合卡拉胶，使得纳米二氧化钛粒子与卡拉胶形成的第四重网络的网络密度增大，强度提高，从而提高壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶的机械性能。
本发明实施例还提供一种上述壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤1)将壳聚糖加入一价金属盐的乙酸溶液中，搅拌均匀，使壳聚糖完全溶解，形成壳聚糖溶液；
将海藻酸盐加入一价金属盐溶液中，搅拌均匀，使海藻酸盐完全溶解，形成海藻酸盐溶液；
步骤2)向增强剂溶液中分别加入步骤1)得到的海藻酸盐溶液、步骤1)得到的壳聚糖溶液、壳聚糖的天然交联剂和海藻酸盐的离子交联剂，形成四重网络体系；
步骤3)将步骤2)形成的四重网络体系于15～60℃水浴培养24h，得到壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶。
上述制备方法中，按照如下质量百分数进行加入：
壳聚糖：1％～5％；海藻酸盐1％～5％；一价金属盐溶液：88％～97％，一价金属盐溶液的质量浓度为0.06％～0.5％；壳聚糖的天然交联剂的质量是所述壳聚糖质量的0.18％～4.5％；海藻酸盐的离子交联剂为二价金属盐，二价金属盐的质量是所述海藻酸盐质量的2～30％；增强剂的质量是所述凝胶总质量的0.8％～4％。
作为优选，一价金属盐溶液为氯化钠溶液或者氯化钾溶液；壳聚糖的天然交联剂为京尼平；二价金属盐为钙盐、锶盐或者钡盐，且金属盐具有可溶性或者微溶性。
作为优选，增强剂溶液采用以下方法得到，具体包括：
将二氧化钛纳米粒子溶于无水乙醇中形成悬浮液，加入甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷，经分离、洗涤、烘干、过滤后得到的干燥二氧化钛纳米粒子用丙酮溶液洗涤最后干燥，制成表面修饰过的二氧化钛纳米粒子；
将表面修饰过的二氧化钛纳米粒子加入卡拉胶溶液中，形成增强剂溶液。
以ca2 作为离子交联剂、nacl作为一价金属盐为例，按照上述制备方法制备的凝胶内部形成了四重网络结构，包括壳聚糖和京尼平形成的共价交联网络，海藻酸钠和离子交联剂之间形成的离子交联网络，壳聚糖上的-nh2和海藻酸盐上的-cooh之间的相互作用形成的第三重网络，纳米二氧化钛粒子与卡拉胶形成的第四重网络，且第四重网络穿插在第三重网络中。
在制备过程中，壳聚糖的天然交联剂可以与壳聚糖发生化学交联，形成第一重交联网络，二价金属离子可以与海藻酸盐结构中的g段和mg段交联形成第二重交联网络。同时当将壳聚糖和海藻酸盐混合后，由于二者因静电相互作用在相界面形成聚电解质，而不能使二者形成均匀的交联网络。在该体系中，一价金属盐的加入，减弱了壳聚糖和海藻酸盐的相互作用，同时海藻酸盐和壳聚糖之间仍存在离子的相互作用，形成第三重交联网络。二氧化钛和卡拉胶形成第四重的互穿网络，且第四重互穿网络穿插在第一重交联网络、第二重交联网络和第三重交联网络中。因为四重网络的形成，使得凝胶能够具有良好的机械性能。第四重互穿网络穿插在第一重交联网络、第二重交联网络和第三重交联网络中，增加了水凝胶网络的密度，相比于壳聚糖-海藻酸盐多孔水凝胶形成的三重网络体系，本发明实施例的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶的机械性能要高。
本发明实施例制备的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶具有较好的机械性能，因此，本发明实施例的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶可作为生物医用材料，用于制作医药伤口敷料。
下面通过试验，来具体验证本发明实施例的凝较具有良好的机械性能。
试验提供八个实施例和一个对照例。八个实施例中实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例6都是按照本发明的制备方法制备的凝胶，实施例5、实施例7和实施例8是增强剂采用卡拉胶或二氧化钛纳米粒子制备得到的凝胶。对照例是不加增强剂制备得到的壳聚糖-海藻酸盐多孔水凝胶。各实施例中各物质的用量，单位：mg，如表1所示。八个实施例和对照例中，壳聚糖的天然交联剂采用京尼平，海藻酸盐的离子交联剂采用二水硫酸钙，纳米二氧化钛粒子采用表面修饰过的纳米二氧化钛粒子。
表1
对上述八个实施例的凝胶和对照例的壳聚糖-海藻酸盐多孔水凝胶，分别进行机械性能测试。
机械性能测试用旋转流变仪，30mm的夹具，在25℃、1hz的频率、0.1rads-1-110rads-1下分别测试八个实施例的凝胶和对照例的壳聚糖-海藻酸盐多孔水凝胶的机械性能。用储存模量(g’)和损耗模量(g”)来表示。结果如图1所示。
从图1中的储存模量曲线中可以明显的看出，按照本发明实施例方法制备出的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例6的机械性能均比对照例的壳聚糖-海藻酸盐多孔水凝胶的机械性能好。增强剂采用二氧化钛纳米粒子和卡拉胶的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例6的机械性能均比增强剂只采用二氧化钛纳米粒子或卡拉胶的实施例5、实施例7和实施例8的机械性能好。按照本发明实施例方法制备出的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例6中，壳聚糖、海藻酸钠与卡拉胶的浓度比是为1:1:1时，即实施例4和实施例6的机械性能最好。
1.一种壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶，其特征在于，按照质量百分数，包括以下组分：
壳聚糖：1％～5％，
海藻酸盐：1％～5％，
一价金属盐溶液：88％～97％，
壳聚糖的天然交联剂、海藻酸盐的离子交联剂和增强剂；
所述增强剂为二氧化钛纳米粒子和卡拉胶；
所述一价金属盐溶液的质量浓度为0.06％～0.5％；
所述壳聚糖的天然交联剂的质量是所述壳聚糖质量的0.18％～4.5％；
所述海藻酸盐的离子交联剂为二价金属盐，所述二价金属盐的质量是所述海藻酸盐质量的2～30％；
所述增强剂的质量是所述凝胶总质量的0.8％～4％。
2.按照权利要求1中所述的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶，其特征在于，所述一价金属盐溶液为氯化钠溶液或者氯化钾溶液。
3.按照权利要求1所述的壳聚糖-海藻酸盐多孔凝胶，其特征在于，所述壳聚糖的天然交联剂为京尼平。
4.按照权利要求1所述的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶，其特征在于，所述二价金属盐为钙盐、锶盐或者钡盐，且金属盐具有可溶性或者微溶性。
5.按照权利要求1所述的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶，其特征在于，所述二氧化钛纳米粒子为表面修饰过的二氧化钛纳米粒子。
6.按照权利要求1中所述的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶，其特征在于，所述壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶中形成四重网络，分别为壳聚糖和壳聚糖的天然交联剂形成的共价交联网络，海藻酸盐和海藻酸盐的离子交联剂之间形成的离子交联网络，壳聚糖上的-nh2和海藻酸钠上的-cooh之间的相互作用形成的第三重网络，以及纳米二氧化钛粒子与卡拉胶形成的第四重网络，第四重网络穿插在共价交联网络、离子交联网络和第三重网络中。
7.一种权利要求1中所述的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤1)将壳聚糖加入一价金属盐的乙酸溶液中，搅拌均匀，使壳聚糖完全溶解，形成壳聚糖溶液；
将海藻酸盐加入一价金属盐溶液中，搅拌均匀，使海藻酸盐完全溶解，形成海藻酸盐溶液；
步骤2)向增强剂溶液中分别加入步骤1)得到的海藻酸盐溶液、步骤1)得到的壳聚糖溶液、壳聚糖的天然交联剂和海藻酸盐的离子交联剂，形成四重网络体系；
步骤3)将步骤2)形成的四重网络体系于15～60℃水浴培养24h，得到壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶。
8.根据权利要求7所述的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶的制备方法，其特征在于，所述增强剂溶液采用以下方法得到，具体包括：
将二氧化钛纳米粒子溶于无水乙醇中形成悬浮液，加入甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷，经分离、洗涤、烘干、过滤后得到的干燥二氧化钛纳米粒子用丙酮溶液洗涤最后干燥，制成表面修饰过的二氧化钛纳米粒子；
将表面修饰过的二氧化钛纳米粒子加入卡拉胶溶液中，形成增强剂溶液。
9.根据权利要求7所述的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶的制备方法，其特征在于，
所述一价金属盐溶液的质量浓度为0.06％～0.5％；
所述壳聚糖的天然交联剂的质量是所述壳聚糖质量的0.18％～4.5％；
所述海藻酸盐的离子交联剂为二价金属盐，所述二价金属盐的质量是所述海藻酸盐质量的2～30％；
所述增强剂的质量是所述凝胶总质量的0.8％～4％。
10.一种权利要求1所述的壳聚糖-海藻酸盐高强度凝胶作为生物医用材料的应用。
技术总结